[发明专利]机械超常材料

说明书

美国政府权利

本申请部分地受到美国空军研究实验室和国防部高级研究项目机构给予的合同号为FA8650-04-C-7140的政府支持。政府对本发明享有一定权利。

对相关申请的交叉引用

本申请要求共同待审的美国临时专利申请No.60/552,456在35U.S.C§119(e)下产生的优先权，所述临时专利申请为所有目的在此作为参考被引用。

技术领域

本发明涉及一种具有可控机械性质的复合材料。更具体而言，本发明涉及一种复合超常材料(meta-material)，所述复合超常材料具有在制造后且在使用过程中可改变的性质。

背景技术

历史上，人们起初对他们身边可得的材料的选择是有限的：木材、石头和骨头。他们最终获得了对天然存在的材料如铁和青铜进行精炼且对这些材料进行模制和成形的能力。几千年后，人们发明了定制材料和复合物，如塑料和钢筋，所述物质的机械性质可在制造过程中定制以适合特定应用情况。

材料技术的改进导致应用情况的改进。铁器时代和青铜时代产生了成形武器、农具、珠宝和食用器具。20世纪之交的复合材料使得能够出现多种新应用情况。飞行影响了新型的轻质和高强度材料；钢筋混凝土构建起更大的建筑物和桥梁；且塑料给玩具和其它工业带来了革命。

这些材料允许设计者或建设者从多种机械性质中进行选择以适合给定应用情况。然而，一旦材料被选择且包括在装置或结构内，其机械性质就固定下来。在使用过程中主动控制材料的机械性质的能力在多种应用情况下是有用的-且使得能够产生许多新的应用情况。可改变机械性质的现有材料仍非常有限且可分成两类：主动材料(activematerial)和内在自适应材料。

内在自适应材料响应于外部刺激产生分子或微观结构转变，这导致机械性质产生变化。内在自适应材料的实例包括热响应材料，如橡胶和形状记忆聚合物，其中刚度和阻尼基于温度改变；磁流变和电流变流体，其中所述材料响应于外部磁场或电场产生微观转变；和聚合物凝胶，其中刚度变化取决于聚合物基体中的流体量。这些材料可能具有不希望的温度敏感性。此外，这些材料提供了有限控制。例如，独立地改变这些材料的弹性和阻尼或控制液体/固体极端之间的电流变流体是不可能的。

主动材料用作在变形的电(或热)能与机械能之间转换的换能器。主动材料的实例包括压电陶瓷、磁致伸缩材料(包括铁磁形状记忆合金)，和电活性聚合物。对于这些材料而言，它们的特定能量转换机构通常限制了可获得的机械性质范围。此外，控制主动材料的机械性质受到物理限制，如主动材料的最大能量输出和响应速度。

基于前面所述，材料选择仍然受限且具有一种或多种可控机械性质的材料很大程度上仍不满足需要。

发明内容

本发明提供了具有主动可控机械性质的超常材料。所述超常材料包括可变形或可重构的结构和一组激活元件。所述激活元件可在多种状态之间受到控制。所述超常材料包括当一个或多个所述激活元件处于所述第一激活状态时机械性质的第一值且包括当所述激活元件已被激活至所述第二激活状态时机械性质的第二值。在一个方面中，所述超常材料与复合材料类似，所述超常材料的结构或连接性可受到控制以便影响所述超常材料的机械性质。

一种典型的超常材料包括柔顺层作为所述可变形结构和联接至所述柔顺层的一组硬性激活元件。每个硬性激活元件可被静电夹持至另一个硬性激活元件或所述柔顺层以便增加其与另一个硬性激活元件的联接性。这改变了所述超常材料的连接性。当多个激活元件被夹持(激活)在一起时，所述超常材料的刚度、阻尼或另一种机械性质增加。当脱离夹持(去激活)时，所述超常材料在机械上与所述柔顺层类似。相应地，当所有所述激活元件进行静电夹持时，该超常材料的刚度或另一种机械性质可受到控制以在接近所述柔顺层的机械性质与所述硬性材料的机械性质范围内变化。

这些可控超常材料有广泛应用。例如，超常材料可被包括在能够具有可调阻抗的装置中。所述复合物还可以是多功能材料：它们可通过用作可控机械部件且用作支承结构而使尺寸和质量最小化。一种多功能应用在于用作保护性、适应性和功能性(例如吸收能量)的机器人或车辆外壳。